CN110158238A - 一种石墨烯纳米复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯纳米复合材料的制备方法,通过静电纺丝技术制备了聚酰亚胺/聚偏氟乙烯/氧化石墨烯复合纳米纤维膜,氧化石墨烯分散均匀,加入成孔剂,提高了复合纳米纤维膜的孔隙率及比表面积,同时孔径分布均匀,纤维膜可广泛用于物质的分离与富集、催化剂载体、离子吸附、废水处理等领域。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯材料技术领域,具体涉及一种石墨烯纳米复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯是仅有一个碳原子厚度,碳原子以sp2杂化轨道组成蜂巢晶格结构的纳米尺度二维材料。具有量子霍尔效应、比表面积大、表面疏水、电化学性质优异、化学性质稳定等特点;同时,石墨烯具有片层共轭结构,层层叠加可形成致密的隔绝层。目前添加石墨烯的复合材料已成为材料界研究的重点和热点,纳米纤维具有长径比大、比表面积高、表面能和活性高以及量子尺寸效应等特点,可广泛应用于过滤和分离、生物及医学治疗、催化和电池材料等领域。
聚酰亚胺具有优良的机械性能,是一种综合性能优异的膜材料。聚偏氟乙烯具有很好的耐热性、化学稳定性、高机械强度和韧性、高耐磨性、非电子导体等特征,是制备静电纺丝膜的优良材料。
静电纺丝是一种简单高效的可制备多种不同类型聚合物纳米纤维的方法,静电纺丝技术是基于高压静电场下导电流体产生高速喷射的原理。在非牛顿流体溶液上通入几至几十千伏的高压(交流或直流),在喷丝头和接地极间瞬时产生一个极不均匀的电场。电场强度超过某一临界值后,电场力将克服液滴表面张力形成射流,经过溶剂的挥发或熔体冷却最终在接收装置上得到纳米纤维膜。制备的纳米纤维膜具有比表面积高、孔隙率高、渗透阻力低和吸附力强等特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米复合材料的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种石墨烯纳米复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化石墨烯加入N,N’-二甲基甲酰胺中,超声分散3-5h后,得到质量浓度3-8%的分散均匀的氧化石墨烯分散液;
2)将聚酰亚胺置于烘箱中于100℃烘干18-24小时,然后加入N-甲基吡咯烷酮和无水乙醇组成的混合溶剂中超声分散2小时,得质量浓度为5-10%的聚酰亚胺分散液;
3)将聚偏氟乙烯加入N,N’-二甲基甲酰胺和丙酮组成的混合溶剂中,于40-50℃搅拌3-6小时,得质量浓度为1-5%的聚偏氟乙烯分散液;
4)将聚酰亚胺分散液和聚偏氟乙烯分散液混合均匀得混合液,然后在搅拌条件下按一定比例将氧化石墨烯分散液逐滴加入混合液中,加入成孔剂,搅拌均匀后,真空条件下静置脱泡12-24小时,静电纺丝得纤维膜;
5)将纤维膜于纯水中浸泡5-10h,然后在真空干燥箱中50-90℃干燥5-8h,得聚酰亚胺/聚偏氟乙烯/氧化石墨烯复合纳米纤维膜。
具体地,所述步骤4)中氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯的质量比为10-15:3-7:2-5。
具体地,所述步骤4)中的成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、三氯甲烷、四异氰酸酯中的一种,成孔剂的加入量为氧化石墨烯质量的0.5-1.5%。
具体地,所述步骤4)中静电纺丝条件为:纺丝电压为30-55kV,接收装置与针头间的纺丝距离为20cm,喷丝头纺丝溶液的流速为0.5-2mL/h。
本发明具有以下有益效果:本发明通过静电纺丝技术制备了聚酰亚胺/聚偏氟乙烯/氧化石墨烯复合纳米纤维膜,氧化石墨烯分散均匀,加入成孔剂,提高了复合纳米纤维膜的孔隙率及比表面积,同时孔径分布均匀,纤维膜可广泛用于物质的分离与富集、催化剂载体、离子吸附、废水处理等领域。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例,对本发明的技术方案做进一步描述,但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种石墨烯纳米复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化石墨烯加入N,N’-二甲基甲酰胺中,超声分散5h后,得到质量浓度7%的分散均匀的氧化石墨烯分散液;
2)将聚酰亚胺置于烘箱中于100℃烘干22小时,然后加入N-甲基吡咯烷酮和无水乙醇组成的混合溶剂中超声分散2小时,得质量浓度为7%的聚酰亚胺分散液;
3)将聚偏氟乙烯加入N,N’-二甲基甲酰胺和丙酮组成的混合溶剂中,于50℃搅拌6小时,得质量浓度为5%的聚偏氟乙烯分散液;
4)将聚酰亚胺分散液和聚偏氟乙烯分散液混合均匀得混合液,然后在搅拌条件下将氧化石墨烯分散液逐滴加入混合液中,氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯的质量比为12:5:5,加入占氧化石墨烯质量的1%的聚乙烯吡咯烷酮,搅拌均匀后,真空条件下静置脱泡12小时,静电纺丝得纤维膜,纺丝条件为:纺丝电压为30kV,接收装置与针头间的纺丝距离为20cm,喷丝头纺丝溶液的流速为1mL/h。
5)将纤维膜于纯水中浸泡10h,然后在真空干燥箱中60℃干燥7h,得聚酰亚胺/聚偏氟乙烯/氧化石墨烯复合纳米纤维膜。
实施例2
一种石墨烯纳米复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化石墨烯加入N,N’-二甲基甲酰胺中,超声分散4h后,得到质量浓度3%的分散均匀的氧化石墨烯分散液;
2)将聚酰亚胺置于烘箱中于100℃烘干24小时,然后加入N-甲基吡咯烷酮和无水乙醇组成的混合溶剂中超声分散2小时,得质量浓度为5%的聚酰亚胺分散液;
3)将聚偏氟乙烯加入N,N’-二甲基甲酰胺和丙酮组成的混合溶剂中,于45℃搅拌4小时,得质量浓度为4%的聚偏氟乙烯分散液;
4)将聚酰亚胺分散液和聚偏氟乙烯分散液混合均匀得混合液,然后在搅拌条件下将氧化石墨烯分散液逐滴加入混合液中,氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯的质量比为10:3:4,加入占氧化石墨烯质量的:1.5%的三氯甲烷,搅拌均匀后,真空条件下静置脱泡24小时,静电纺丝得纤维膜,纺丝条件为:纺丝电压为55kV,接收装置与针头间的纺丝距离为20cm,喷丝头纺丝溶液的流速为0.5mL/h。
5)将纤维膜于纯水中浸泡8h,然后在真空干燥箱中50℃干燥8h,得聚酰亚胺/聚偏氟乙烯/氧化石墨烯复合纳米纤维膜。
实施例3
一种石墨烯纳米复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化石墨烯加入N,N’-二甲基甲酰胺中,超声分散3h后,得到质量浓度5%的分散均匀的氧化石墨烯分散液;
2)将聚酰亚胺置于烘箱中于100℃烘干18小时,然后加入N-甲基吡咯烷酮和无水乙醇组成的混合溶剂中超声分散2小时,得质量浓度为10%的聚酰亚胺分散液;
3)将聚偏氟乙烯加入N,N’-二甲基甲酰胺和丙酮组成的混合溶剂中,于40℃搅拌5小时,得质量浓度为3%的聚偏氟乙烯分散液;
4)将聚酰亚胺分散液和聚偏氟乙烯分散液混合均匀得混合液,然后在搅拌条件下将氧化石墨烯分散液逐滴加入混合液中,氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯的质量比为15:7:3,加入占氧化石墨烯质量的0.5%的四异氰酸酯,搅拌均匀后,真空条件下静置脱泡18小时,静电纺丝得纤维膜,纺丝条件为:纺丝电压为40kV,接收装置与针头间的纺丝距离为20cm,喷丝头纺丝溶液的流速为1.5mL/h。
5)将纤维膜于纯水中浸泡7h,然后在真空干燥箱中80℃干燥6h,得聚酰亚胺/聚偏氟乙烯/氧化石墨烯复合纳米纤维膜。
实施例4
一种石墨烯纳米复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化石墨烯加入N,N’-二甲基甲酰胺中,超声分散4h后,得到质量浓度8%的分散均匀的氧化石墨烯分散液;
2)将聚酰亚胺置于烘箱中于100℃烘干20小时,然后加入N-甲基吡咯烷酮和无水乙醇组成的混合溶剂中超声分散2小时,得质量浓度为8%的聚酰亚胺分散液;
3)将聚偏氟乙烯加入N,N’-二甲基甲酰胺和丙酮组成的混合溶剂中,于50℃搅拌3小时,得质量浓度为1%的聚偏氟乙烯分散液;
4)将聚酰亚胺分散液和聚偏氟乙烯分散液混合均匀得混合液,然后在搅拌条件下将氧化石墨烯分散液逐滴加入混合液中,氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯的质量比为13:4:2,加入占氧化石墨烯质量的:1%的三氯甲烷,搅拌均匀后,真空条件下静置脱泡18小时,静电纺丝得纤维膜,纺丝条件为:纺丝电压为50kV,接收装置与针头间的纺丝距离为20cm,喷丝头纺丝溶液的流速为2mL/h。
5)将纤维膜于纯水中浸泡5h,然后在真空干燥箱中90℃干燥5h,得聚酰亚胺/聚偏氟乙烯/氧化石墨烯复合纳米纤维膜。
Claims (4)
1.一种石墨烯纳米复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将氧化石墨烯加入N,N’-二甲基甲酰胺中,超声分散3-5h后,得到质量浓度3-8%的分散均匀的氧化石墨烯分散液;
2)将聚酰亚胺置于烘箱中于100℃烘干18-24小时,然后加入N-甲基吡咯烷酮和无水乙醇组成的混合溶剂中超声分散2小时,得质量浓度为5-10%的聚酰亚胺分散液;
3)将聚偏氟乙烯加入N,N’-二甲基甲酰胺和丙酮组成的混合溶剂中,于40-50℃搅拌3-6小时,得质量浓度为1-5%的聚偏氟乙烯分散液;
4)将聚酰亚胺分散液和聚偏氟乙烯分散液混合均匀得混合液,然后在搅拌条件下按一定比例将氧化石墨烯分散液逐滴加入混合液中,加入成孔剂,搅拌均匀后,真空条件下静置脱泡12-24小时,静电纺丝得纤维膜;
5)将纤维膜于纯水中浸泡5-10h,然后在真空干燥箱中50-90℃干燥5-8h,得聚酰亚胺/聚偏氟乙烯/氧化石墨烯复合纳米纤维膜。
2.如权利要求1所述的石墨烯纳米复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤4)中氧化石墨烯、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯的质量比为10-15:3-7:2-5。
3.如权利要求1所述的石墨烯纳米复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤4)中的成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、三氯甲烷、四异氰酸酯中的一种。
4.如权利要求1所述的石墨烯纳米复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤4)中静电纺丝条件为:纺丝电压为30-55kV,接收装置与针头间的纺丝距离为20cm,喷丝头纺丝溶液的流速为0.5-2mL/h。
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